編譯｜半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
隨著市場跟上人工智能應(yīng)用的日益增長，半導(dǎo)體行業(yè)將在2025年在功率元件、先進(jìn)封裝和HBM方面取得突破。
在準(zhǔn)備進(jìn)入 2025 年之際，技術(shù)繼續(xù)以前所未有的速度發(fā)展。隨著科技行業(yè)的變化，半導(dǎo)體行業(yè)也在發(fā)生變化，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)型以支持新的應(yīng)用。由于半導(dǎo)體一直是技術(shù)創(chuàng)新的核心，電子元件的創(chuàng)新對于驅(qū)動下一代智能手機(jī)和人工智能 (AI) 至關(guān)重要。
隨著不同行業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)新趨勢，全球市場將在未來一年和十年內(nèi)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。這些趨勢將影響半導(dǎo)體的設(shè)計方式以及它們需要哪些功能來幫助新產(chǎn)品在技術(shù)領(lǐng)域具有競爭力。
人工智能，作為當(dāng)今科技領(lǐng)域的王者，將在 2025 年及未來幾年繼續(xù)塑造電子元件供應(yīng)鏈。
人工智能助力HBM定制化興起
人工智能的快速發(fā)展是過去兩年半導(dǎo)體創(chuàng)新最重要的驅(qū)動力之一。在整個 2025 年，人工智能將繼續(xù)融入更廣泛的設(shè)備中，例如 2024 年底推出的 PC。特定組件領(lǐng)域?qū)Χㄖ频男枨笕找嬖鲩L，引起了整個半導(dǎo)體行業(yè)的興趣。
例如，Nvidia、Intel和AMD一直負(fù)責(zé)設(shè)計以 AI 為中心的處理器，包括 GPU 和 CPU。這些組件專門針對自然語言處理、深度學(xué)習(xí)和生成響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化。在未來幾年，我們可以期待這些組件實現(xiàn)創(chuàng)新，采用更具創(chuàng)新性的神經(jīng)形態(tài)設(shè)計，模仿類似人類大腦的功能。
然而，去年人們對高帶寬內(nèi)存 (HBM) 的關(guān)注度不斷提高，因為它的功能使其成為大型語言模型 (LLM) 開發(fā)人員的熱門選擇。由于供應(yīng)越來越緊張，制造商投入了更多產(chǎn)能和資源來開發(fā) HBM，從而帶來了新的定制化需求。
三星半導(dǎo)體副總裁兼 DRAM 產(chǎn)品規(guī)劃主管 Indong Kim 討論了 HBM 在 AI 應(yīng)用領(lǐng)域的能力所帶來的新發(fā)展。
Kim 表示：“HBM 架構(gòu)正在掀起一股大浪潮——定制 HBM。AI 基礎(chǔ)設(shè)施的激增需要極高的效率和橫向擴(kuò)展能力，我們與主要客戶達(dá)成了一致，即基于 HBM 的 AI 定制將是關(guān)鍵的一步。PPA——功率、性能和面積是 AI 解決方案的關(guān)鍵，而定制將在 PPA 方面提供巨大的價值?！?/p>
SK海力士、三星電子和美光科技是HBM的三大制造商，它們正在探索提高其性能和處理速度的新方法。
三星和美光“在每個凸塊層面上都采用了非導(dǎo)電薄膜（NCF）和熱壓鍵合（TCB）”，而 SK 海力士則“繼續(xù)采用倒裝芯片大規(guī)?；亓鞴に嚨哪Ｋ艿撞刻畛洌∕R-MUF），該工藝只需一步即可將堆棧密封在高導(dǎo)電性模塑材料中?！?/p>
隨著越來越多的人工智能處理轉(zhuǎn)移到邊緣（更靠近數(shù)據(jù)源），為邊緣設(shè)備設(shè)計的半導(dǎo)體將需要更節(jié)能、更快，并能夠處理復(fù)雜的人工智能工作負(fù)載。這一趨勢需要低功耗、高性能芯片的創(chuàng)新，尤其是對于智能相機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自動無人機(jī)等應(yīng)用。
先進(jìn)封裝將成為芯片創(chuàng)新的下一階段
除人工智能外，開發(fā)新的先進(jìn)封裝工藝已成為 2024 年的熱門話題之一。半導(dǎo)體行業(yè)正在面臨摩爾定律的終結(jié)，摩爾定律即“集成電路上晶體管的數(shù)量每兩年翻一番，而成本上升幅度很小”。
隨著節(jié)點尺寸越來越小，OCM 正在探索通過封裝提高芯片性能的其他選擇。Nvidia 一直在利用臺積電的先進(jìn)封裝能力來幫助提高芯片性能。這是通過臺積電的晶圓基板芯片 (CoWoS) 實現(xiàn)的，它可以提高性能、減少占用空間并提高能效。
CoWoS 通過在單個基板上堆疊芯片來促進(jìn)半導(dǎo)體創(chuàng)新?，F(xiàn)在先進(jìn)節(jié)點已接近單個納米尺寸，芯片堆疊開發(fā)是半導(dǎo)體能力的下一個嘗試。CoWoS 技術(shù)的優(yōu)勢及其快速擴(kuò)展的能力確保了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
這些方面極大地有利于人工智能應(yīng)用日益增長的需求，包括生成和大型語言模型 (LLM)。臺積電計劃在擴(kuò)大其全球業(yè)務(wù)的同時，提高其先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)的產(chǎn)能。據(jù)傳，臺積電計劃在美國和日本建立新的 CoWoS 先進(jìn)封裝工廠，以滿足這一日益增長的需求。
該戰(zhàn)略背后的主要動機(jī)是人工智能應(yīng)用對 Nvidia 芯片的需求日益增長。
同樣，CoWoS 技術(shù)的小尺寸有助于在散熱器和軸流風(fēng)扇設(shè)計等先進(jìn)冷卻解決方案中實現(xiàn)更高效的熱管理。隨著數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)張以滿足日益增長的 AI 使用，這可能會導(dǎo)致對先進(jìn)封裝應(yīng)用的需求增加。
據(jù)研究，CoWoS 技術(shù)的持續(xù)集成將幫助 OCM 突破芯片封裝的傳統(tǒng)限制，通過提高性能和增強(qiáng)互連性來改善應(yīng)用。同樣，內(nèi)存（尤其是 DRAM 和 NAND 閃存）中 3D 堆疊的使用量也將在 2025 年增長，以更好地支持 AI 應(yīng)用。
數(shù)據(jù)中心的增長將推動電源組件需求激增
隨著人工智能不斷融入不同的業(yè)務(wù)和市場領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心承載這些信息的需求也在不斷增加。隨著人工智能需求的增加，數(shù)據(jù)中心行業(yè)很快遇到了一個重大問題，主要是因為電力或空間根本不夠。
在 CNBC 的一份報告中，專家警告稱，人工智能應(yīng)用對電力的需求不斷增長，其潛在增長潛力巨大，以至于單個數(shù)據(jù)中心的用電量可能比一些大城市甚至整個美國州都要多。
人工智能的高需求導(dǎo)致零部件產(chǎn)能下降，導(dǎo)致定制冷卻系統(tǒng)的交貨時間比幾年前延長了 5 倍以上。甚至備用發(fā)電機(jī)的交貨時間也超過了通常的一個月到兩年。
自人工智能爆發(fā)以來，電力和能源已成為最突出的短缺領(lǐng)域之一。過去幾年，電氣化工作進(jìn)一步加劇了對電力的需求。電網(wǎng)是每個國家經(jīng)濟(jì)、國家安全以及社區(qū)健康和安全的支柱，由于眾多行業(yè)的需求不斷增長，電網(wǎng)的穩(wěn)定性變得越來越脆弱。
各國電網(wǎng)大多已有數(shù)十年歷史，使用壽命為 50-80 年，即將結(jié)束。電網(wǎng)老化導(dǎo)致其更容易受到停電、網(wǎng)絡(luò)攻擊或社區(qū)緊急情況的影響。普林斯頓大學(xué)教授杰西·詹金斯 (Jesse Jenkins) 表示，2030 年的電力需求可能比 2021 年高出 14%-19%。
21 世紀(jì)的電網(wǎng)必須滿足不斷增長的電力需求，為電動汽車、熱泵、工業(yè)電氣化和氫電解提供動力，并且需要延伸到該國的新地區(qū)，以利用最佳的風(fēng)能和太陽能資源。這兩個因素意味著我們需要一個更大的電網(wǎng)和更多的長距離傳輸。
這個問題正在推動電源元件行業(yè)的新發(fā)展。高效電源轉(zhuǎn)換器將利用比傳統(tǒng)硅基元件更高效的新材料，幫助減少數(shù)據(jù)中心的能源損耗。這些材料包括碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 元件，它們具有更高的擊穿電壓、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度和更小的尺寸。
Wolfspeed、意法半導(dǎo)體和英飛凌是三家生產(chǎn) SiC 和/或 GaN 元件的公司。Wolfspeed 是 SiC 技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，一直致力于擴(kuò)大其全球影響力并提高全球生產(chǎn)能力。同樣，GaN 曾經(jīng)是一種僅用于航空航天和國防應(yīng)用的元件，現(xiàn)在越來越多地用于通信和數(shù)據(jù)中心。
同樣，這些組件由于其功率效率高，可以幫助半導(dǎo)體行業(yè)比傳統(tǒng)硅組件更快地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，最終減少電力需求。SiC 和 GaN 組件的排放量也低于傳統(tǒng)硅，可將最終產(chǎn)品的排放量減少高達(dá) 30%。
這將是未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的必由之路，因為數(shù)據(jù)中心對電力的需求巨大，可能會增加碳排放。
半導(dǎo)體行業(yè)正在突破創(chuàng)新界限
隨著 2025 年的臨近，由于人工智能推動了半導(dǎo)體格局的變革，半導(dǎo)體行業(yè)將在塑造技術(shù)未來方面發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。HBM 定制、先進(jìn)封裝和功率元件創(chuàng)新將是 2025 年的少數(shù)趨勢之一。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體公司必須投資于尖端材料、新制造工藝和創(chuàng)新芯片架構(gòu)。
全球電子元件分銷商必須依靠其特許經(jīng)營合作伙伴關(guān)系、全球供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)和市場情報工具來幫助客戶采購這些即將上市的元件。隨著半導(dǎo)體行業(yè)適應(yīng)這些趨勢，它將繼續(xù)成為決定未來十年的技術(shù)突破的關(guān)鍵推動因素。
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